第2章 图像处理基础知识课件

第2章图像处理基础知识图像和视觉基础视觉基础人眼与亮度视觉颜色视觉成像基础成像模型成像几何采样和量化图像基础像素间联系图像运算图像坐标变换第2章图像处理基础知识2.1光度学基础2.2色度学基础2.3图像数字化2.4图像数据结构2.5图像文件格式2.6图像质量评价2.1光度学的基本知识人的视觉特性人眼的构造与机理要点人眼的机理与照相机类似：瞳孔：透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中间的圆孔称为瞳孔，，其直径可调节，控制进入人眼内之光通量(照相机光圈作用)。晶状体：瞳孔后是一扁球形弹性透明体，其曲率可调节，以改变焦距，使不同距离的图在视网膜上成象(照相机透镜作用)。视细胞：视网膜上集中了大量视细胞，分为两类：锥状细胞：明视细胞，在强光下检测亮度和颜色；杆(柱)状细胞：：暗视细胞，在弱光下检测亮度，无色彩感觉。其中，每个锥状视细胞连接着一个视神经末梢，故分辨率高，分辨细节、颜色；多个杆状视细胞连接着一个视神经末梢，故分辨率低，仅分辨图的轮廓。人眼成象过程：人的视觉模型点光源的表示函数点源d可以用函数表示，表示平面图像的二维d函数为：则任意一幅图像可表示为：人的视觉模型人看图像时，对亮度高的信息识别率高，低亮度的信息会因为无法分别而忽略。适应环境后，即使在弱光下，也可以分辨出景物大致轮廓光刺激经角膜，照射在视网膜上，由于瞳孔大小限制，这一阶段可视为低通滤波过程光敏细胞对光的响应，这个过程满足韦伯-费克纳定律，等效于对数运算非线性环节视神经对光信号的传递，等效于一个空间的高通滤波器人眼的亮度感觉(1)图象“黑”“白”（“亮”、“暗”）对比参数对比度:c=Bmax/Bmin相对对比度:Cr=(B-B0)/B0(2)人眼亮度感觉范围总范围很宽（c=108）人眼适应某一环境亮度后，范围限制适当平均亮度下：c=103很低亮度下：c=10(3)同时对比度：人眼对亮暗程度所形成的“黑”“白”感觉具有相对性，即按对比度cc感觉物体亮度对比。马赫带（MachBandMachBand）效应马赫带效应的出现，是因为人眼对于图像中不同空间频率具有不同的灵敏度，而在空间频率突变处就出现了“欠调”或“过调”。主观亮度S与实际亮度B之间的关系S=KlnB+k0人眼亮度感觉之应用若一幅原图像经过处理，恢复后得到重现图像，重现图像的亮度不必等于原图像的亮度，只要保证二者的对比度及亮度层次（灰度级）相同，就能给人以真实的感觉。对一个色觉正常的人来说，颜色刺激面积非常小时就不能识别颜色了——第三色盲。人类视觉的弱点:1.人只能感觉可见光波段能量，对其它波段不敏感；2.人眼视场角固定，空间分辨率和灰度分辨率有限；3.人眼有积分效应，对单次图象瞬间变化、快速运动图象分析存储困难；4.准确测量图象参数能力较差；5．受知识水平差异的影响，人对同一图象的响应不同；6．人是有思想的生物体，视觉受情绪和疲劳程度的影响。眼见为实？眼见为实？视觉系统所感觉到的物体的形状并不是简单的投影到视网膜上的形状。对形状的感觉受到物体自身形状及周围背景的影响，也有心理因素的作用。错视是视觉对图形感觉的一个重要现象。2.1光度学的基本知识研究人眼对电磁波的亮度感知的学科。核心为相对视敏函数V(λ)：

人眼对等能可见光所产生的主观亮度。可见光波长从380nm到780nm,对波长为555nm的光有最大的敏感度。光度量度:返回2.2色度学的基本知识

研究人眼对色彩感知的学科。描述色彩：心理物理感知（主观）物理配色机理（客观）其他表示方法CIE国际标准HSBRGB返回心理物理感知（主观）HSB:色调、饱和度、亮度。色调（Hue）是指光的颜色(光谱色）。饱和度（Saturation）是指颜色的纯度。

亮度（Brightness）是指彩色光所引起的人眼对明暗程度的感觉。

返回绿青黄灰蓝红黑白饱和度亮度色调、饱和度、亮度色调物理配色机理加色法：红、绿、蓝（RGB）

红色+绿色=黄色，红色+蓝色＝品红，绿色+蓝色＝青色红色+绿色+蓝色＝白色

通用配色公式：

C=rR+gG+bB

发光体：电视机的CRT2.减色法：青、品、黄、灰（CMYK）

青色+黄色=绿色，青色+品红＝蓝色，黄色+品红=红色青色+黄色+晶红=黑色

吸收体：胶片，像纸返回其他表示方法把一种彩色表示成一个亮度分量和两个色度分量的形式。例如：彩电NTSC制：

Y=0.299R+0.587G+0.114B I=0.596R-0.274G-0.322B Q=0.211R+0.523G+0.312B彩电PAL制：

Y=0.222R+0.707G+0.071B R-Y B-Y返回CIE国际标准CIE-RGB、CIE-XYZ、CIE-L*u*v*、CIE-la*b*1931CIE-RGB系统色品图1931CIE-RGB系统色品图返回RGB与HSB的相互转换没有统一标准,MSPAINT与PHOTOSHOP不一致.RGB到HSB的转换PHOTOSHOP格式:MAX，MID，MIN：最大值，中间值，最小值HSB——RGB的转换(1)HSB——RGB的转换(2)2.3

图像数字化2.1.1图像传感器与数字成像2.1.2数字化原理2.3.1图像传感器与数字成像1.CCD传感器

电荷耦合器件（ChargedCoupledDevice），感应可见光的光强

扫描仪的图像数字化过程原理图

2.3.1图像传感器与数字成像2.CMOS传感器

互补性金属氧化物半导体（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor）图像景物成像系统采样图像采样子系统数字图像量化器图像采集系统

2.3.2数字化原理1．数学模型2．采样和量化

采样：空间上的离散化量化：灰度上的离散化2.3.2数字化原理连续信号（抽样、量化）——数字信号

采样点阵：正方形、正三角2.3.2数字化原理图像矩阵的特点：

a）

b）数字化抽样：正方形点阵、三角形点阵、正六角形点阵等2.3.2数字化原理3.采样定理一维采样定理：惠特克－卡切尼柯夫－香农2.1.2数字化原理二维采样定理：采样频率大于图像信号最高频率的2倍2.3.2数字化原理2.3.2数字化原理4.采样误差混叠噪声

孔径效应：实际采样脉冲不是理想冲击函数，有一定的宽度，会产生失真插入噪声：由采样图像信号恢复到原图像，无理想滤波器（在内频率特性平坦，相位特性成直线)抖动噪声：采样周期为，但发射与接受端存在相位差异，称相位抖动。5.量化均匀量化非均匀量化:

a）基于视觉特性：对亮度值急剧变化部分无需过细分层，进行粗量化,对亮度值平缓变化部分需过细分层，进行细量化

b）先计算所有可能的亮度值出现的概率分布，对概率分布大的进行细量化,对概率分布小的进行粗量化,非均匀量化可以减少量化误差，又能用较少的比特数实现量化2.3.2数字化原理量化和采样是两个不同的概念，量化是在每个采样点上进行的，所以必须先采样后量化。量化和采样是图像数字化的不可或缺的两个操作，二者紧密相关，同时完成。2.3.2数字化原理6.采样和量化的关系2.3.2数字化原理2.3.2数字化原理2.3.2数字化原理非均匀采样和量化－细节部分，分配较多的采样－灰度突变部分，可用较少的灰度级数2.1.2数字化原理

表示灰度级、bright,彩色,连续图像

.如X光图像反映人体组织吸收特性，红外图像反映温度辐射特性，CCD反映可见光的特性在图像建模中涉及到保真度(fidelity)：衡量处理方法好坏，清晰否？采样、量化正交序列展开，Fourier变换统计模型：把图像看成一个集合的成员如均值、方差。2.1.2数字化原理黑白图像灰度图像彩色图像灰度级为256，空间像素从1024×1024到32×32的一组图像空间与灰度级分辨率所有图像放大到1024×1024空间与灰度级分辨率灰度级从256到2的数字图像空间与灰度级分辨率同时改变N和k值同时改变N和k值facecameramancrowd同时改变N和k值三类图像的典型等偏爱曲线水纹效应的实例香农定理:如果一个函数以等于或大于其最高频率的2倍取样,那么就能从取样完全复原原函数.如果函数被亚取样,则混淆的现象将恶化取样.2.6数字图像基本概念混淆的水纹图样图像的放大与收缩

最近邻域内插方法在原图像上寻找最靠近的像素并把它的灰度值赋给栅格上的新像素。

双线性内插方法用最近领域内插法(上一行)和双线性内插法(下一行)得到的放大图像分别将128×128,64×64,32×32放大到1024×1024图像的放大与收缩2.4

图像数据结构2.4.1

图像模式2.4.2

彩色空间2.4.3

图像存储的数据结构2.4.1图像模式1．灰度图像

可由黑白照片数字化得到，或从彩色图像进行去色处理得到（256灰度级）2．二值图像

灰度图像经过二值化处理后的结果，两个灰度级，只需用1bit表示。2.4.1图像模式3．彩色图像彩色图像的数据不仅包含亮度信息，还要包含颜色信息。彩色的表示方法是多样化的。三基色模型：RGB（Red/Green/Blue，红绿蓝）

RGB三基色可以混合成任意颜色。2.4.1图像模式2.2.2

彩色空间1)RGB彩色空间：面向硬件设备的彩色模型三基色原理三基色指可以用来调配出其它颜色的红、绿、蓝三种颜色。彩色图像可由红、绿、蓝

三基色图像叠加而成。2.4.2

彩色空间在RGB彩色空间中，任意彩色光的配色方程式为：2)CMY彩色空间

自然界物体颜色光的形成方式将物体划分为两类——发光物体和不发光物体，发光物体称为有源物体，不发光物体称为无源物体。无源物体是不发出光波的物体，其颜色由该物体吸收或反射哪些光波来决定，因此采用CMY三基色相减模型和CMY彩色空间描述。2.4.2

彩色空间2.4.2

彩色空间油墨和颜料的三基色是CMY（Cyan/Magenta/Yellow，青/洋红/黄）而不是RGB，CMY三基色的特点是油墨和颜料用的越多，颜色越暗（或越黑），所以将CMY称为三减色，而RGB称为三加色。2.4.2

彩色空间3)HSI彩色空间

区分颜色常用的3种基本特性量：色调（Hue）、饱和度（Saturation）、强度（Intensity）。色调Hue：与混合光谱中主要光波长相联系饱和度Saturation：与一定色调的纯度有关强度Intensity：与物体的反射率成正比1.

一维数组方式:行×列2.多波段图像数据结合结构1）按各个波段存储

列

行红绿蓝2.4.3

图像存储的数据结构2）按扫描行存储红

绿

蓝

…第1行3）按各个像素存储

红绿

蓝

…（1，1）（1，2）2.4.3

图像存储的数据结构2.多波段图像数据结合结构2.5

图像文件格式BMP文件格式GIF文件格式TIFF文件格式JPEG文件格式DICOM文件格式图像描述信息一般以结构或类来描述主要包括宽高等图像数据数组顺序存放的连续数据2.5

图像文件格式1、位图文件头typedefstructtagBITMAPFILEHEADER{WORDbfType;//文件类型，必须是字符串”BM”DWORDbfSize;//指定文件大小WORDbfReserved1;//保留字，不考虑WORDbfReserved2;//保留字，不考虑DWORDbfOffBits;//从文件头到位图数据的偏移字节数}BITMAPFILEHEADER;BMP文件格式不经过压缩直接按位存盘的文件格式，称为位图（bitmap）。2、位图信息头typedefstructtagBITMAPINFOHEADER{DWORDbiSize;//该结构的长度，40个字节LONGbiWidth;//图像的宽度，单位是像素LONGbiHeight;//图像的高度，单位是像素WORDbiPlanes;//必须是1WORDbiBitCount//颜色位数，如1，4，8，24DWORDbiCompression;//压缩类型，如BI_RGB,BI_RLE4DWORDbiSizeImage;//实际位图数据占用的字节数LONGbiXPelsPerMeter;//水平分辨率LONGbiYPelsPerMeter;//垂直分辨率DWORDbiClrUsed;//实际使用的颜色数DWORDbiClrImportant;//重要的颜色数}BITMAPINFOHEADER;3、调色板typedefstructtagRGBQUAD{BYTErgbBlue;//该颜色的蓝色分量BYTErgbGreen;//该颜色的绿色分量BYTErgbRed;//该颜色的红色分量BYTErgbReserved;//保留值，不考虑}RGBQUAD;注：有些位图不需要调色板，如真彩色图，它们的BITMAPINFOHEADER后面直接是位图数据4、实际的图像数据对于2色位图，1位表示一个像素颜色，所以一个字节表示8个像素对于16色位图，4位表示一个像素颜色，所以一个字节表示2个像素对于256色位图，1个字节表示1个像素对于真彩色图，3个字节表示一个像素2.5

图像文件格式GIF文件格式

GIF（graphicInterchangeFormat）是由CompuServe公司设计和开发的文件存储格式，用于存储图形，也可以用来存储256色图像。扩展名为gif。2.5

图像文件格式TIFF文件格式

TIFF（TaggedImageFileFormat）是相对经典、功能很强的图像文件存储格式，扩展名为tif或tiff。JPEG文件格式由（国际）联合图像专家组（JointPhotographicExperts

Group）提出的静止图像压缩标准文件格式，是面向常规彩色图像及其它静止图像的一种压缩标准。扩展名为jpg或jpeg。DICOM文件格式

DICOM

(DigitalImagingandCommunicationsin

Medicine)

是医学图像文件存储格式，为各类医学图像数据的存档、传输和共享而起草和颁布的。DICOM格式支持几乎所有的医学数字成像设备，例如CT、MR、DR、超声、内窥镜、电子显微镜等，成为现代医学图像存储传输技术和医学影像学的主要组成部分。DICOM文件的常见扩展名为DCM。2.5

图像文件格式2.6图像质量评价2.6.1图像质量的客观评价2.6.2图像质量的主观评价2.4.1图像质量的客观评价归一化方均误差峰值方均误差2.6.1

图像质量的客观评价等效信噪比

f(j,k)——被变换的图像场，A——f(j,k)的最大值图像质量评价的研究是图像信息工程的基本技术之一。光电变换——传输——处理——记录——其他变换图像增强：就是为了改善图像的主观视觉显示质量图像复原：是用于补偿图像的降质，使复原后的图像接近原像图像编码技术:在保持被编码图像一定质量的前提下，